RMS-I型磁定位系統(tǒng)的研制和應(yīng)用

李曉軍,王德國(guó),宋朝暉,唐亮,姜建勝

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）北京102249;2.中國(guó)石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院新疆克拉瑪依834000）

重質(zhì)油是油氣資源的重要組成部分，且占較大比重。我國(guó)重質(zhì)油資源豐富，目前在12個(gè)盆地發(fā)現(xiàn)了70多個(gè)重質(zhì)油田，資源量可達(dá)300×108 t以上。蒸汽輔助重力泄油技術(shù)（SAGD采油技術(shù)），能夠?qū)⒅刭|(zhì)油的采收率提高至60%左右，比常規(guī)水平井蒸汽吞吐開(kāi)采提高了30%，是有效的稠油熱采技術(shù)[1]。SAGD技術(shù)是一項(xiàng)鉆井新工藝，要用到許多新的鉆井工藝和設(shè)備，其中磁場(chǎng)測(cè)量定位裝置是設(shè)備的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)出RMS-I型磁定位系統(tǒng)，并對(duì)其應(yīng)用情況展示研究。

1 RMS-I型磁定位系統(tǒng)

RMS-I型磁定位系統(tǒng)主要由精密磁場(chǎng)發(fā)生源、三軸磁場(chǎng)探測(cè)器、信號(hào)傳輸系統(tǒng)及地面解釋計(jì)算軟件組成。

1.1 精密磁場(chǎng)發(fā)生源研制

精密磁場(chǎng)發(fā)生源安裝在鉆頭上部，隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，可在區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有強(qiáng)度和方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如圖1所示，考慮到磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)方向的需求，采用了24個(gè)圓柱形稀土磁體在徑向方向?qū)ΨQ分布，發(fā)生源本體采用無(wú)磁材料加工。

使用有限元分析軟件對(duì)精密磁場(chǎng)發(fā)生源進(jìn)行了結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度模擬[2]，模擬情況如圖2所示，應(yīng)力分布主要集中在螺紋根部及螺紋處，磁場(chǎng)發(fā)生源本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖1 精密磁場(chǎng)發(fā)生源結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Placing signage at precision magnetic field structure

圖2 精密磁場(chǎng)發(fā)生源強(qiáng)度分析圖Fig.2 Placing signage at precision magnetic field strength analysis diagram

使用有限元分析軟件對(duì)精密磁場(chǎng)發(fā)生源磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布情況進(jìn)行了模擬，模擬情況如圖3所示。磁場(chǎng)發(fā)生源總磁場(chǎng)強(qiáng)度：5.59×108 nT，如果磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致儀器損壞，過(guò)小將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差超出設(shè)計(jì)要求和測(cè)量距離減小。

1.2 三軸磁場(chǎng)探測(cè)器研制

磁場(chǎng)、加速度探測(cè)器作為關(guān)鍵部件，作用測(cè)量的磁場(chǎng)和重力加速度，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，形成數(shù)據(jù)幀，以50～100幀每秒的速度，通過(guò)RS485端口發(fā)出。同時(shí)開(kāi)發(fā)形成了基于DSP架構(gòu)的采集磁通門傳感器、加速度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，具有測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)處理速度快，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。其電路原理如圖4所示。

圖3 精密磁場(chǎng)發(fā)生源磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布圖Fig.3 Precision placing signage at the magnetic field intensity and distribution of magnetic field

圖4 三軸磁場(chǎng)探測(cè)器電路原理圖Fig.4 Three axial magnetic field detector circuit principle diagram

1.3 信號(hào)傳輸系統(tǒng)研制

根據(jù)磁定位系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸距離、速度、布線的要求，信號(hào)傳輸系統(tǒng)采用單總線模式，將探測(cè)器傳來(lái)的數(shù)據(jù)調(diào)制在電源線上，通過(guò)電源線傳送到地面，地面接收器從電源線上解調(diào)出數(shù)據(jù)波形，從而實(shí)現(xiàn)快速連接電纜、可靠傳輸數(shù)據(jù)的目的。

1.4 地面計(jì)算軟件

1.4.1 算法確定

自然界的磁現(xiàn)象均可以等效于若干個(gè)磁偶極子磁場(chǎng)的疊加,在特定情況下也可以等效為一個(gè)磁偶極子。簡(jiǎn)單地講,磁偶極子就是一個(gè)圓電流，設(shè)電流強(qiáng)度為I,圓半徑為R。對(duì)一個(gè)磁偶極子來(lái)說(shuō),往往用“磁矩”矢量來(lái)表示一個(gè)磁偶極子的量級(jí)[3]。磁矩的定義為：

如圖5所示：根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，遠(yuǎn)場(chǎng)P（r,θ φ）磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式為：

三分量表達(dá)式：

圖5 P點(diǎn)空間磁場(chǎng)示意圖Fig.5 Magnetic field sketch point P space

在實(shí)際鉆井過(guò)程中,磁源短節(jié)隨鉆頭處于動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)狀態(tài),不能直接用靜態(tài)磁偶極子模型進(jìn)行目標(biāo)靶點(diǎn)定位。但是隨鉆頭旋轉(zhuǎn)的永磁體所形成的磁場(chǎng)可視為兩個(gè)正交偶極子Mc和Ms疊加而成的總磁體Mt。假設(shè)鉆頭旋轉(zhuǎn)角速度為ω，初始時(shí)刻永磁體與Z軸方向重合，則任意時(shí)刻永磁體轉(zhuǎn)過(guò)的角度為ωt,此時(shí)與總磁場(chǎng)Mt等效的正交磁偶極子Mc與Ms分別為：

空間任意點(diǎn)P處的磁場(chǎng)強(qiáng)度由Hc和Hs兩部分構(gòu)成。以y軸為永磁體旋轉(zhuǎn)軸,建立基于動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)磁偶極子模型的磁場(chǎng)強(qiáng)度空間傳播模型，

由Mc所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

由Ms所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

當(dāng)磁偶極子旋轉(zhuǎn)時(shí),所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc和Hs僅大小發(fā)生變化,而方向不變,因此二者外積所得到的矢量方向不隨轉(zhuǎn)速ω變化,可以用來(lái)表征旋轉(zhuǎn)磁偶極子的固有特征，即：

根據(jù)采集得到的三軸磁信號(hào)強(qiáng)度，由以下公式求得磁源與探測(cè)器的空間距離r,偏移角θ0，相對(duì)方位角φ0，從而確定磁源相對(duì)與探測(cè)器的相對(duì)位置（x,y,z），實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自動(dòng)跟蹤磁源目標(biāo)的目的。

1.4.2 地面計(jì)算軟件

地面計(jì)算軟件的主要功能是將磁場(chǎng)探測(cè)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，從USB端口采集到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行濾波、地磁信號(hào)分離。完成動(dòng)態(tài)跟蹤和精確定位計(jì)算，保存并顯示數(shù)據(jù)。為軌跡控制人員提供施工依據(jù)。

開(kāi)發(fā)了基于實(shí)時(shí)檢測(cè)--井下校驗(yàn)--軌跡偏差計(jì)算，滿足軌跡控制工具調(diào)整、井眼軌跡平滑要求的人機(jī)互動(dòng)程序，使用C++編程語(yǔ)言編寫，具有鼠標(biāo)按鈕控制，動(dòng)態(tài)圖形顯示，直觀形象分區(qū)、操作流程簡(jiǎn)單。同時(shí)在軟件中加入了二次濾波程序，提高了測(cè)量精度。

1.5 RMS-I型磁定位系統(tǒng)性能參數(shù)

RMS--I型磁定位系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)最早投入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的SAGD雙水平井磁定位系統(tǒng)，至今現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用超過(guò)1 000小時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量精度達(dá)到2～5%FS。其主要性能參數(shù)如下：探測(cè)距離3～65 m，測(cè)量精度5～10 m:2%,10～25 m:5%，工作溫度-40～125℃，承壓140 MPa，采樣率50 Hz，波特率9 600 bps，振動(dòng)20 g，沖擊500 g，適用于成對(duì)水平井。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2012年～2013年，先后在新疆油田風(fēng)城油田進(jìn)行了15井次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用。2013年5月～10月，完成了FHW3014井組、FHW337等共計(jì)9口井的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)，累計(jì)進(jìn)尺4 140.38 m，儀器累計(jì)入井時(shí)間1 017小時(shí)。

2.1 FHW 3014井組現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

FHW3014P/I井屬于風(fēng)城油田侏羅系齊古組超稠油油藏，位于重18井區(qū)南部SAGD開(kāi)放區(qū)，重18井區(qū)是由四條斷層所圍的孤立斷塊，為重20井北斷裂、重1井北斷裂，重43井西斷裂以及風(fēng)重001井?dāng)嗔?。齊古組頂部構(gòu)造形態(tài)為斷裂切割的南傾單斜，地層傾角5°～8°。目的層齊古組直接超覆沉積在二疊系之上，斷塊內(nèi)八道灣組地層缺失。FHW3014P/I井組由西部鉆探井下作業(yè)公司20947隊(duì)承鉆，由西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司提供井眼軌跡控制、隨鉆測(cè)量和磁定位技術(shù)服務(wù)。

FHW3014I水平井于2013年5月4日22:00一開(kāi)，5日17:10一開(kāi)完鉆，井深57.92 m，下入Φ339.7 mm表層套管至井深57.60 m固井候凝，5日21:00二開(kāi)。7日15:00鉆進(jìn)至井深374 m，其中磁導(dǎo)向井段324.09～371.76 m，實(shí)鉆井眼軌跡進(jìn)入A靶窗，按地質(zhì)方要求二開(kāi)完鉆。8日6:00下Φ244.6mm技術(shù)套管至井深371.22 m，8日10:00中完固井。9日，三開(kāi)驗(yàn)收合格后，I井開(kāi)始水平段磁導(dǎo)向鉆進(jìn)，至11日凌晨5:30，鉆至702.23 m完鉆，磁導(dǎo)向井段374.21～668.33 m。

2.2 FHW 2135井組現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

FHW3125井位于準(zhǔn)噶爾盆地風(fēng)城油田重45井區(qū)SAGD開(kāi)發(fā)區(qū)。設(shè)計(jì)井深：斜深1 170.94 m，垂深477.10 m，靶前位移780.2 m，水垂比為3.8:1，是2013年風(fēng)城區(qū)塊水平段最長(zhǎng)的一口井。該井由克拉瑪依地質(zhì)工程公司鉆井13隊(duì)承鉆，定向井公司提供軌跡控制技術(shù)服務(wù)，磁導(dǎo)向儀器采用西部鉆探鉆井院RMS-I型磁導(dǎo)向系統(tǒng)。

FHW3125I水平井于2013年7月16日18:00一開(kāi)，16日20:00一開(kāi)完鉆，井深57.11m，下入Φ339.7 mm表層套管至井深56.76 m固井候凝，18日11:20二開(kāi)，20日0:40鉆進(jìn)至井深576 m，實(shí)鉆井眼軌跡進(jìn)入A靶窗，20日5:00下入Φ295 mm欠尺寸穩(wěn)定器通井，洗井起鉆，21日5:00下Φ244.6 mm技術(shù)套管至井深575.07 m，21日7:30中完固井。23日16:40，三開(kāi)驗(yàn)收合格后，I井開(kāi)始水平段磁導(dǎo)向鉆進(jìn)，25日凌晨5:30，鉆至1170.94 m完鉆，磁導(dǎo)向井段576～1143.23 m,累計(jì)進(jìn)尺576.23 m。

3 結(jié)論

成功研制出由稀土永磁體磁場(chǎng)源發(fā)生器、三軸磁場(chǎng)和加速度探測(cè)器、磁定位采集分析軟件、單總線信號(hào)傳輸系統(tǒng)組成的RMS-Ⅰ型磁定位系統(tǒng)，并形成配套的測(cè)量工藝技術(shù)。經(jīng)過(guò)15井次的SAGD成對(duì)水平井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，RMS-Ⅰ型磁定位系統(tǒng)性能得到全面的驗(yàn)證，測(cè)量精度達(dá)到國(guó)外同類儀器先進(jìn)水平[7]。RMS-Ⅰ型磁定位系統(tǒng)的研制成功，打破了國(guó)外公司在這一技術(shù)上的長(zhǎng)期壟斷與封鎖，為國(guó)內(nèi)油田稠油資源的高效開(kāi)發(fā)提供了有力的技術(shù)保障。

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